Пять нерешенных проблем науки Артур Уиггинс Чарльз Уинн (стр. 4 из 47)
Одним из следствий квантовой механики стал принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому существует предел произведения неопределенности положения частицы и неопределенности ее импульса и соответствующий предел произведения неопределенности энергии и неопределенности времени.
Принцип этот означает: чем точнее установлено местоположение электрона, тем менее точно можно узнать его импульс, и наоборот. Предел крайне мал, и его действие почти не отражается на измерениях объектов обычных размеров. Однако философские последствия велики: существует предел нашим знаниям. Многие ученые, включая Альберта Эйнштейна, не могли примириться с таким предположением. И все же оно следует из удостоверяемой гипотезы, которую приходится принять.
Далее, квантовую механику потребовалось объединить с другой революционной идеей начала XX века — специальной теорией относительности Эйнштейна. В 1928 году это сделал британский физик Поль Дирак. Его новая теория оказалась не только исчерпывающей, она приводила к любопытному следствию: предсказывала существование новой частицы, подобной электрону, но положительно заряженной, которая получила название антиэлектрона, или позитрона (положительного электрона).
Спасительные космические лучи
Мало предсказать существование новых частиц, нужно подтвердить это в опытах. А поскольку ни у кого не было свидетельств существования позитрона, оно представлялось сомнительным. В начале 1930-х годов американский физик Карл Андерсон привлек для изучения материи новое средство — космические лучи. Они состоят в основном из протонов, ос-частиц (связанные два протона и два нейтрона; одним словом, ядра гелия), или света различной частоты. Эти частицы обладают широким спектром энергии и бомбардируют Землю повсюду, падая на нее с частотой одна частица в секунду. Основной источник космических лучей — Солнце, однако наблюдаемые в космических лучах частицы с наиболее высокой энергией порождены более мощными процессами по сравнению с теми, что происходят на Солнце.
Космические лучи невидимы, и их воздействие на материю слишком мало, чтобы его заметить. Для обнаружения частиц Андерсон использовал два устройства: создающее сильное магнитное поле и конденсационную камеру Вильсона. Магнитное поле искривляло траекторию заряженных частиц внутри конденсационной камеры, содержащей насыщенный водяными парами чистый воздух. Частицы, пролетая через камеру, ионизировали молекулы воздуха, и те становились точками оседания паров, образуя в итоге капли воды. Эти капли позволяли наблюдать траектории частиц, подобно тому как земная атмосфера дает возможность увидеть след от высоко летящего самолета, хотя его самого и не видно.
Андерсон проводил опыты в Колорадо, где большая высота существенно уменьшала затеняющее действие земной атмосферы на падающие космические лучи. Один из его снимков запечатлел траекторию, отклонившуюся в противоположном от траектории электрона направлении. Это было свидетельством существования позитрона. Оказывается, почти всем частицам соответствуют античастицы, отличающиеся электрическим зарядом и иными, более тонкими свойствами (см.: Список идей, 1. Антивещество).
Так как в гипотезе Дирака предсказывалось существование позитрона, его обнаружение подтверждало истинность релятивистской квантовой механики (квантовая механика, видоизмененная с учетом специальной теории относительности). Однако другое открытие Андерсона оказалось более обескураживающим. Он обнаружил траектории двух новых частиц — мюонов, масса которых в 200 с лишним раз превышала массу электрона. Одна имела положительный заряд, а другая — отрицательный. Их существование и свойства приводили в замешательство, поскольку мюонам не находилось места в строении вещества. Недоумение физиков выразилось в ответе Нобелевского лауреата И. А. Раби, который, услышав об открытии мюона, спросил: «Кто их заказывал?»
Четыре силы
Словномало было хлопот с новыми частицами, в те же 1930-е годы были открыты еще и новые поля. К уже известному тяготению и электромагнетизму добавились силы ядерного взаимодействия, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, и силы слабого взаимодействия, вызывающие некоторые процессы радиоактивного распада. Любопытно, что слабое и сильное взаимодействия достигали своей максимальной силы на очень малом расстоянии, причем их сила падала до нуля, стоило частицам удалиться на расстояние, превышающее размеры ядра. Вот почему мы их не видим: они действуют на расстоянии, недоступном нашим органам чувств.
В 1930-е годы Энрико Ферми выдвинул теорию слабого взаимодействия, предсказавшую существование еще одной новой частицы. Эта электрически нейтральная частица нужна была для учета недостающей энергии в наблюдаемом [бета-]распаде. Ферми назвал ее нейтрино. Нейтрино оказалось чуть ли не частицей-призраком, столь редко взаимодействующей с обыкновенным веществом, что для остановки половины падающих нейтрино понадобилась бы свинцовая пластина толщиной в восемь световых лет (превышающей более чем в 2 раза расстояние от Солнца до ближайшей звезды). И все же нейтрино [точнее, антинейтрино] были обнаружены опытным путем американскими физиками Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном, но лишь в 1953— 1956 годах. Это и требовалось физике — другая частица.
Осколки частиц, или Трудное разделение
Ученые отчаянно нуждались в аппаратуре для изучения этих новых частиц, но космические лучи оказались слишком уж ненадежными из-за столь широких перепадов их энергии, да и неизвестно было, откуда их ждать. В начале 1930-х годов появились новые устройства для систематических опытов — с использованием пучков частиц с заданной энергией. Устройства, названные ускорителями частиц, стали основным орудием физики высоких энергий, играя ту же роль, что микроскоп в биологии и телескоп в астрономии.
Были созданы два различных вида ускорителей: линейный и круговой, или циклотрон. В линейном ускорителе электроны ускоряются электрическим полем вдоль длинного вакуумного канала (модель Стэнфордского университета имеет протяженность 2 мили) и отклоняются магнитами для столкновения с мишенью. Датчики регистрировали продукты распада и синтеза при столкновении.
В циклотроне заряженные частицы ускоряются в зазоре между двумя половинами циклотрона (именуемыми дуантами — D-образными из-за своего вида), и их траектория искривляется магнитным полем внутри дуант. С увеличением энергии частицы двигаются по все большей дуге, и когда наконец достигают максимальной энергии, выводятся из циклотрона и направляются на мишень, где происходит столкновение, а разлетающиеся осколки регистрируются датчиками. (См.: Список идей, 2. Ускорители.) Изобретатель циклотрона Эрнест Лоренс трудился над созданием все больших циклотронов, которые называл протонными каруселями, но натолкнулся на препятствия, приведшие к остановке его карусели.
Вмешательство политики
1930-е годы принесли другое несчастье: Вторую мировую войну.
Помимо сокращения отпускаемых на исследования средств военные нужды отвлекли огромное множество физиков, вынудив их с 1941 года заниматься Манхэттенским проектом. Изначально целью этого проекта было изучение энергии, высвобождаемой при расщеплении ядер тяжелых металлов вроде урана, чтобы определить, можно ли использовать эту энергию для создания оружия и в случае утвердительного ответа сделать это раньше немецких физиков, которые, как считалось, работали над схожим замыслом. (Пьеса «Копенгаген» Майкла Фрайна повествует о планах немцев и союзников по созданию атомной бомбы на примере взаимоотношений физиков Нильса Бора и Вернера Гейзенберга.)
Задача физики состояла в постижении устройства ядра, техники — в претворении этого знания во взрывное устройство. Об этической стороне дела задумались после победы над немцами, хотя те не занимались созданием атомной бомбы. После капитуляции Германии в мае 1945 года некоторые физики в Соединенных Штатах Америки вышли из Манхэттенского проекта. Оставшиеся создали атомную и водородную бомбы, последствия чего мы ощущаем до сих пор.
Физика возвращается к повседневным заботам
После окончания войны погоня за новыми частицами возобновилась, и ведущая роль здесь отводилась ускорителю. Частицы сталкивали с мишенью, после чего тщательно изучали получавшиеся осколки. При относительно малых энергиях, доступных в ту пору, протоны застревали в больших ядрах, образовывая короткоживущие более крупные ядра. Некоторые из этих ядер были радиоактивными и распадались на ядра поменьше и другие частицы. Получавшиеся более крупные ядра пополняли Периодическую таблицу, к радости химиков, а физики оставались без новых частиц.
Тем временем строились все более крупные циклотроны, получавшие частицы со все большей энергией. Ввиду эквивалентности массы и энергии (согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс2) столкновения при больших энергиях позволяли получать более тяжелые частицы. И вскоре физиков, работавших на ускорителе, ждал успех.
Снимки из камеры Вильсона указали на следы, или треки, невиданных прежде частиц: заряженных пионов (π+, π-), или пи-мезонов, и каонов (К+, К-), или К-мезонов, нейтральных пиона и каонов, лямбда-частицы, сигма-частицы и пр. И хотя частицы были нестабильны, распадались вскоре на более привычные частицы, все это свидетельствовало о том, что материя таит в себе еще много неожиданного.